NB-IoT網絡指標體系研究與應用

劉 哲，曾 偉，蔡 凱（中國聯通北京分公司，北京 100038）

0 引言

在信息化大時代背景下，移動通信趨向于萬物互聯方向發展，物聯網作為萬物互聯體系中重要組成部分，在眾多垂直行業中得到廣泛應用。工信部持續推進物聯網發展，提出“到2020 年，NB-IoT 網絡實現全國普遍覆蓋，面向室內、交通路網、地下管網等應用場景實現深度覆蓋，基站規模達到150 萬個”，國內三大運營商積極把握窄帶物聯網（NB-IoT）發展機遇，隨著業務快速發展，未來連接數將會迎來爆發式增長。物聯網業務的發展既是機遇也是挑戰，如何構建客觀有效的評估體系成了值得探討的話題，進一步地，各種典型NB-IoT 物聯網業務類型需要滿足什么樣的覆蓋水平也是網絡發展中必須明確的問題。

物聯網業務和傳統移動網絡業務有著巨大差別，具有定制性、不可移動性、點位數量多等特點。同時，NB-IoT 主要面向低速率、低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的物聯網業務場景，涉及垂直行業眾多，包括遠程抄表、智慧城市、智慧農業、資產追蹤、智能停車、氣象環保監測等。面對物聯網新業務、新終端、新協議、新網絡，本文將結合北京聯通NB-IoT網絡建設優化經驗，建立合理的指標評估優化體系，并對典型物聯網業務需求的覆蓋水平進行研究。

1 NB-IoT系統簡介

物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的一種網絡，通過信息傳感器，按照事先約定的協議將萬物連接起來，實現定位、跟蹤、識別和監控等功能。基于蜂窩的NB-IoT 只消耗大約180 kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網絡、UMTS網絡或LTE 網絡，大大降低了部署成本。NB-IoT基本特點如下。

a）廣覆蓋。NB-IoT 基于運營商的蜂窩網絡，在同樣頻段下，NB-IoT 相比現有GSM 網絡有20 dB 的增益，覆蓋面積擴大10倍，期望能覆蓋到地下車庫、地下室、地下管道等信號難以到達的地方。

b）大連接。在物聯網應用中，直接利用現有的蜂窩網絡容易造成網絡負荷過高，NB-IoT 在現有的蜂窩網絡上進行優化，使200 kHz 的頻率可以提供10 萬個連接，具有海量設備連接能力。

c）低功耗。NB-IoT 引入了eDRX 省電技術和PSM 省電模式，進一步降低了功耗，延長了電池使用時間，借助這2種技術，在典型應用場景下，使用AA電池（5號電池）便可以工作10年，無需充電。

d）低成本。企業預期的單個連接模塊不超過5美元，芯片價格為1～2 美元，隨著網絡部署成本的降低，每個模組的批量成本價格預計可以降到2 美元左右，為海量終端設備接入提供了可能。

2 NB-IoT網絡架構

對于采用NB-IoT接入技術的物聯網來說，其端到端架構是由NB-IoT 終端/模塊、NB-IoT 基站、NB-IoT核心網、NB-IoT平臺及第三方應用服務器組成，如圖1所示。

NB-IoT 終端/模塊：承擔信息采集、通信和控制的功能，常見形態為：水表、車載、表計等。

NB-IoT基站：支持NB-IoT終端的接入。

NB-IoT 核心網：集成MME、S-GW、P-GW、HSS 的功能為物聯網業務提供移動性管理、網關功能、用戶簽約信息管理和用戶位置管理。

NB-IoT 平臺及第三方應用服務器：對于不同的物聯網業務應用，統一采用NB-IoT 平臺來支撐。NBIoT平臺不感知具體的業務形態，由第三方服務器向平臺注冊對指定的NB-IoT 終端的查詢或控制，比如水廠/電廠注冊對水表/電表的查詢或控制。平臺只負責將NB-IoT 終端與第三方服務器關聯起來進行數據轉發或功能控制，而不關注終端與服務器之間交換的具體數據內容。

3 NB-IoT指標評估體系

NB-IoT 網絡指標評估體系是NB-IoT 網絡建設優化的重要基礎，想要優質高效地完成NB-IoT網絡的部署，需要客觀合理的網絡評估體系的支撐。與4G/3G/2G 相比，NB-IoT 網絡的網絡結構、調度算法和業務需求都有了變化，這些變化決定了其指標評估體系也與以往的不同，尤其是指標側重方面。

優質的網絡應做到覆蓋合理、干擾抑制、容量優化和業務感知優良。針對NB-IoT網絡業務特性，結合目前掌握的指標對網絡性能影響的理論分析和北京聯通的網絡實踐，得出涵蓋覆蓋、干擾、接入、業務量、容量和保持等6 個維度的物聯網指標評估體系（見圖2）。

在六維評估方法的基礎上，細化每個維度具體評判指標，更加準確地評估NB 網絡性能和質量，綜合評估網管數據與測試數據，關聯各項指標的重要程度及相關性，將各類指標按照對NB-IoT業務的重要程度分為3個等級，形成了物聯網六維三級指標評估體系，如圖3所示。

指標評級標準如下。

圖1 NB-IoT網絡架構

圖2 物聯網指標評估體系

圖3 物聯網六維三級指標評估體系

一級指標：篩選出能夠直觀反映出網絡性能和質量的指標，作為網絡優化的基礎指標，優化權重占比較高。

二級指標：作為NB-IoT 網絡評估的細分指標，能從其他角度間接反映出網絡的性能和質量，為一級指標的重要補充手段。

三級指標：對一、二級指標進一步細分，能夠體現出網絡性能和質量的細微差異，使評估方法更加細致客觀。

依據六維三級指標評估體系，綜合分析評估北京聯通實際指標情況，確定了各類指標的高中低3 檔門限，如表1所示。

4 典型業務覆蓋標準研究

4.1 典型業務的關鍵指標

NB-IoT 物聯網技術具有廣闊的市場應用，在智慧城市、公共事業、工農業生產、大眾消費領域都有著廣闊的發展空間。從移動狀態上分為移動類應用和固定類應用；從數據交互方式上分為定周期數據交互（監測）和實時數據交互（控制）。所以從這2個維度出發可以把所有的物聯網業務分為4個大類：固定監測、固定控制、移動監測和移動控制，如圖4所示。

4 類典型業務各有獨特的應用場景，對各個維度的指標的敏感程度各不相同，需要對它們逐類分析以確定其關鍵指標。

表1 各類指標的高中低3檔門限

圖4 物聯網業務分類

a）固定監測類。此類業務主要包含抄表、井蓋、水文監測等業務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置不會改變，且主要的功能是將傳感器的信息周期上傳至業務監控平臺，實現對所有終端的統一管理。對網絡覆蓋、業務連接性以及功耗指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率以及上行速率。

b）固定控制類。此類業務主要包括智能燈桿、智能安防、智能家居等業務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置通常不會改變，業務功能的實現需要實時的數據交互，物聯網業務控制中心對終端模組下發指令完成數據采集和上報。對網絡覆蓋及數據相關指標較敏感，關鍵指標包括Attach 成功率、RRC 連接建立時長、上行速率以及下行速率。

c）移動監測類。此類業務主要包含人員、物品定位追蹤等業務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置會隨時改變，但是業務功能的實現不需要實時數據交互。對網絡連接性、功耗及移動性指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率、上行速率以及下行速率。

d）移動控制類。此類業務主要包含共享單車、智能穿戴、移動支付等業務，NB-IoT 模組及相應傳感器的位置會隨時改變，同時業務功能的實現需要實時數據交互。對網絡連接性、業務連接、功耗及移動性指標較敏感，關鍵指標包括Attach成功率、RRC連接成功率、RRC連接建立時長以及上行速率和下行速率。

表2 給出了典型NB-IoT 業務的關鍵指標，在此進一步分析典型業務對不同關鍵指標的敏感程度，進行各業務的關鍵指標權重設定。關鍵指標權重設定標準如圖5所示。

4.2 典型業務覆蓋水平分析

表2 典型NB-IoT業務的關鍵指標

圖5 關鍵指標權重設定標準

運營商網絡建設的目標是以最優性價比提供滿足業務需求的網絡，所以研究滿足業務正常使用、網絡需要達到什么樣的覆蓋水平十分重要。本文從NBIoT指標評估體系中提取出指標基準值，指標基準值是NB-IoT網絡滿足業務需求必須達到的指標門限值。

通過大量測試數據統計得出了NB-IoT 網絡關鍵業務指標的基準值，同時得到了對應的表征覆蓋水平的指標RSRP標準值與SINR標準值，如表3所示。

表3 表征覆蓋水平的指標RSRP標準值與SINR標準值

4.3 典型業務覆蓋評測標準

在北京聯通NB-IoT 建設優化實踐的基礎上，結合典型物聯網業務特點及LTE 網絡經驗，本文確定了典型業務覆蓋標準。此標準確定了滿足典型業務需求的最低覆蓋標準，為NB-IoT網絡建設優化工作提供支撐依據。業務覆蓋標準可由式（1）確定：

以固定監測類業務為例說明典型業務覆蓋標準的計算方法。

第1 步，確定關鍵指標，查詢表2 得到該類業務的關鍵指標為RRC 連接成功率、Attach 成功率和上行速率。

第2 步，確定指標權重，從圖5 可知該類業務關鍵指標對應的指標權重標準分別是0.3、0.3和0.4。

第3 步，確定測試值，查詢表3 可知，RRC 連接成功率、Attach 成功率、上行速率基準值對應的RSRP 測試值分別為-115 dBm、-120 dBm 和-106 dBm，最高測試值為-106 dBm。

第4 步，計算業務覆蓋RSRP 標準值，將數據帶入式（1）得到：固定監測類業務RSRP 覆蓋標準為-106-［-106+（0.3×115+0.3×120+0.4×106）］/2=-109.5 dBm。

同樣地，通過上述方法可以計算出固定監測類業務的SINR標準值為-1.2 dB。

綜上可以得到如果需要滿足固定監測類業務需求，NB-IoT網絡RSRP值最低應大于-109.5 dBm，SINR值大于-1.2 dB。

通過本文構建的典型業務覆蓋評測標準，可以計算出4種典型NB-IoT 業務需要滿足的最低覆蓋水平，如表4所示。

表4 4種典型NB-IoT業務需要滿足的最低覆蓋水平

5 結束語

萬物互聯的時代已經到來，物聯網將會獲得更多的垂直應用，走進千家萬戶。物聯網是一個潛力巨大的藍海，各大運營商、設備商、服務商都摩拳擦掌，越來越多的業務帶來更多利潤的同時也對網絡帶來了諸多挑戰。

本文首先構建了六維三級指標評估體系，隨后從業務的角度出發，研究不同特點的典型業務需要網絡滿足什么樣的覆蓋水平，提供了分析思路與評測標準，為NB-IoT 網絡的規劃建設與優化評估提供指導，為萬物互聯的愿景提供推力。